Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Генетические карты являются тем необходимым фундаментом, без которого невозможно развитие многих направлений генетических и селекционных исследований. Они способствуют выявлению неслучайных ассоциаций аллелей разных локусов, позволяют изучать процессы рекомбино- и мутагенеза, проводить многолокусную оценку параметров скрещивания, картировать селекционно-важные признаки, осуществлять биотехнологические и генноинженерные работы (Clegg et al., 1972; Shaw et al., 1981; Vallejos, Tanksley, 1982; Sederoff , Ledig, 1985). Особую актуальность генетическое картирование приобретает в связи с необходимостью ускоренной и направленной селекции организмов в животноводстве, растениеводстве и лесном хозяйстве.
Одними из главных лесообразующих видов Восточной Европы являются сосны. Только в Беларуси сосновые насаждения занимают более 50% всей лесо-покрытой площади. Однако, несмотря на важное хозяйственное значение сосен, исследования, посвященные анализу структурной организации их генома и генетическому картированию, до последнего времени не проводились в связи с полным отсутствием адекватных генных маркеров. У сельскохозяйственных растений генетические карты первоначально строились на основе фенотипических признаков, которые у сосен не могли быть использованы, так как их генетическая детерминация до сих пор практически не выяснена. Это связано с тем, что для проведения анализирующих скрещиваний у таких долгоживущих и медлен-носозревающих видов, как хвойные, необходимы десятилетия. Появление моле-кулярно-генетических методов, одним из которых является электрофоретиче-ский анализ изоферментов, и особенности формирования гаплоидных мегагаме-тофитов хвойных дало возможность начать работы по исследованию генома сосен и построению генетических карт без специальных скрещиваний. К настоящему времени анализ сцепления аллозимных локусов и картирование некоторых из них проведено более чем для 20 видов хвойных. Лучше других в этом плане изучены американские сосны, для 10 из которых осуществлена локализация аллозимных генов. В то же время картирование генов у сосен европейского континента ограничивается только тремя видами из одиннадцати: Pinus sylvestris L., P. leucodermis Ant. и P. pallasiana Asch. (Rudin, Ekberg, 1978; Niebling et al. 1987; Szmidt, Muona, 1989; Morgante et al., 1993; Goncharenko et al., 1994a).
Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнена в Институте леса НАН Беларуси в ходе исследований по следующим фундаментальным темам и программам: "Исследование и разработка генетико-селекционных методов для создания теоретических основ лесо-восстановления и лесоразведения" (1991-1995 гг. № госрегистрации 19951416); "Дать анализ характера распределения радиоиндуцированных мутаций в генетическом материале хвойных на основе локализации генов" (1995 г. № 33-10); "Анализ структурной организации генетического материала и определение спо-
собов реализации генетического потенциала ценных древесных пород" (1996-2000 гг. № госрегистрации 19961682). Исследование сцепления аллозимных генов у сосны обыкновенной проводилось также в рамках темы "Построение генетических карт у основных лесообразующих и хозяйственно-важных хвойных растений Беларуси" (1995-1996 гг. № госрегистрации 19951414), финансируемой Белорусским Республиканским Фондом фундаментальных исследований (№ Б94-029), а также при поддержке фонда Сороса при выполнении темы: "Оценка генетических последствий аварии на Чернобыльской АЭС в неотселенных районах Беларуси, загрязненных радионуклидами".
Цель и задачи исследования. Целью исследования было построение генетических карт на основе анализа сцепления генов, кодирующих изоферменты у четырех основных видов двухвойных сосен Восточной Европы: сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.); сосны горной (P. mugo Turra); сосны черной (P. nigra Am.) и сосны брутской (P. brutia Ten.). В процессе работ решались следующие основные задачи:
провести электрофоретический анализ материала деревьев четырех видов сосен из различных частей их ареалов с использованием 24 генов, кодирующих изоферменты, для выявления и отбора особей, гетерозиготных по двум и более изученным локусам;
на основании исследования эндоспермов у отобранных дигетерозиготных деревьев провести анализ сцепления генов по всем имеющимся в наличии дву-локусным комбинациям у каждого вида и выявить сцепленные пары локусов;
локализовать сцепленные гены и построить генетические карты для четырех видов сосен.
проанализировать характер распределения функционально связанных генов в геномах изученных видов сосен.
провести сравнительный анализ локализации гомологичных аллозимных генов в группах сцепления у двухвойных сосен Восточной Европы.
Научная новизна полученных результатов. Впервые для сосны обыкновенной проведена совместная локализация генов Aat-1, Gpi, уточнена локализация генов Dia-2 и Рер-3 и картировано 8 локусов в первой группе сцепления. Генетическая карта P. sylvestris также дополнена двумя новыми группами сцепления, включающими четыре гена.
В ходе исследований впервые построены генетические карты: сосны горной, включающей 14 аллозимных локусов в четырех группах сцепления; сосны черной, включающей 12 генов в трех группах сцепления и сосны брутской, состоящей из четырех генов в одной группе сцепления.
Показан дисперсно-кластерный характер организации генетического материала в группах сцепления у сосен.
Подтверждена высокая степень консерватизма генетического материала хвойных видов на примере сосен, формирующих леса Восточной Европы.
Практическая значимость полученных результатов. Полученные в ходе исследования генетические карты сосны обыкновенной были использованы при
анализе характера распределения радиоиндуцированных, в результате аварии на Чернобыльской АЭС, мутаций в генетическом материале хвойных.
Наличие генетических карт позволило начать в Беларуси работы по изучению рекомбиногенеза у хвойных видов.
Генетические карты создали базу для использования изоферментных локу-сов в селекционной работе в качестве маркеров генных блоков, а также для интерпретации многолокуснои генетической структуры, сертификации семенных наборов и решения вопросов сохранения генетической изменчивости популяций в процессе лесовосстановления.
Экономическая значимость полученных результатов. Работа относится к фундаментальным исследованиям, что не позволяет на данном этапе оценить непосредственный экономический эффект от полученных результатов. Однако, учитывая необходимость в генетических картах для разных направлений лесной науки, они будут с успехом использованы в ряде генетико-селекционных и лесо-восстановительных программ, а также в лесном семеноводстве, что несомненно даст существенный экономический эффект.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Четырнадцать генов у сосны обыкновенной и сосны горной, 12 генов у сосны черной и 4 гена у сосны брутской достоверно картированы и локализованы в 4-х группах сцепления.
-
Десять локусов не сцеплены ни между собой, ни с локализованными генами и дисперсно распределяются по 8 группам сцепления.
-
Структурно-функциональная организация генетического материала в группах сцепления носит дисперсно-кластерный характер.
-
Состав групп и линейное расположение локусов совпадает у всех изученных видов. Сохранение линейного порядка генов в группах сцепления свидетельствует о консервативности организации генетического материала, по крайней мере в пределах двухвойных сосен Восточной Европы.
Личный вклад соискателя. Результаты исследований, представленные в диссертации, получены непосредственно автором работы в лаборатории генетики леса Института леса НАНБ. В сборе семенного материала сосен и его изо-ферментном анализе принимали также участие в.н.с. Падутов В.Е., с.н.с. Силин А.Е. и м.н.с. Болсун СИ., которых автор благодарит за помощь в работе. Автор выражает признательность доктору Адольфу Корчаку (Польша) и профессору Ладиславу Пауле (Словакия) предоставившим часть семенного материала сосны обыкновенной и сосны горной.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции "Генетика и селекция - на службе лесу" (Воронеж, 1996), Международной конференции IPGRI (International Plant Genetic Resources Institute) "Проблемы изучения и сохранения генетических ресурсов лесных древесных видов на территории СНГ" (Беловежская пуща, 1996), VII съезде БОГиС (Горки, 1997) и Международной конферен-
ции "Молекулярная генетика и биотехнология" (Минск, 1998).
Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, общим объемом 63 страницы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 3-х глав, включающих обзор состояния проблемы по данным литературы, материалы и методы исследования, результаты и их обсуждение, а также заключения, выводов, приложений и списка цитируемой литературы, который содержит 270 наименований, в т.ч. 228 на иностранных языках. Работа изложена на 135 страницах, проиллюстрирована 7 рисунками, 9 таблицами и приложениями.